транзисторна історія. Винахід транзисторів та розвиток напівпровідникової електроніки
Винахід транзистора, який став найважливішим досягненням ХХ століття, пов'язаний з іменами багатьох чудових учених. Про тих, хто створював та розвивав напівпровідникову електроніку, і йтиметься у цій статті.
Рівно 50 років тому американцям Джону Бардіну, Уолтеру Браттейну та Вільяму Шоклі (рис. 1) було присуджено Нобелівську премію з фізики «За дослідження в області напівпровідників та відкриття транзистора». Проте аналіз історії науки однозначно свідчить, що відкриття транзистора - це не лише заслужений успіх Бардіна, Браттейна та Шоклі.
Рис. 1. Лауреати Нобелівської премії з фізики за 1956 рік
Перші досліди
Народження твердотільної електроніки можна зарахувати до 1833 року. Саме тоді Майкл Фарадей (рис. 2), експериментуючи з сульфідом срібла, виявив, що провідність даної речовини (а це був, як ми тепер називаємо, напівпровідник) зростає з підвищенням температури, на противагу провідності металів, яка в даному випадку зменшується. Чому так відбувається? З чим це пов'язано? На ці запитання Фарадей відповісти не зміг.
Наступною віхою у розвитку твердотільної електроніки став 1874 рік. Німецький фізик Фердинанд Браун (рис. 3), майбутній нобелівський лауреат (1909 року він отримає премію «За видатний внесок у створення бездротової телеграфії») публікує статтю в журналі Analen der Physik und Chemie, в якій на прикладі «природних та штучних сірчаних металів» » описує найважливішу властивість напівпровідників - проводити електричний струм лише одному напрямку. Випрямляюча властивість контакту напівпровідника з металом суперечила закону Ома. Браун (рис. 4) намагається пояснити явище, що спостерігається, і проводить подальші дослідження, але безрезультатно. Явище є, пояснення немає. З цієї причини сучасники Брауна не зацікавилися його відкриттям, і лише через п'ять десятиліть випрямляючі властивості напівпровідників були використані в детекторних приймачах.
Рис. 3. Фердінанд Браун
Рис. 4. Фердинанд Браун у своїй лабораторії
Рік 1906. Американський інженер Грінліф Віттер Пікард (рис. 5) отримує патент на кристалічний детектор (рис. 6). У своїй заявці на отримання патенту він пише: «Контакт між тонким металевим провідником і поверхнею деяких кристалічних матеріалів (кремній, галеніт, пірит та ін.) випрямляє та демодулює високочастотний змінний струм, що виникає в антені при прийомі радіохвиль».
Рис. 5. Грінліф Пікард
Рис. 6. Принципова схема кристалічного детектора Пікарда
Тонкий металевий провідник, за допомогою якого здійснювався контакт із поверхнею кристала, зовні дуже нагадував котячий вус.
Кристалічний детектор Пікарда так і стали називати - котячий вус (cat's whisker).
Щоб "вдихнути життя" в детектор Пікарда і змусити його стійко працювати, потрібно було знайти найбільш чутливу точку на поверхні кристала. Зробити це було непросто. На світ з'являється безліч хитромудрих конструкцій «котячого вуса» (мал. 7), що полегшують пошук заповітної точки, але стрімкий вихід на авансцену радіотехніки електронних ламп надовго відправляє детектор Пікарда за лаштунки.
Рис. 7. Варіант конструкції «котячий вус»
І все ж «котячий вус» набагато простіше і менше вакуумних діодів, до того ж набагато ефективніше на високих частотах. А що якщо замінити вакуумний тріод, на якому було засновано всю радіоелектроніку того часу, (рис. 8) на напівпровідник? Чи це можливо? На початку ХХ століття подібне питання не давало спокою багатьом ученим.
Рис. 8. Вакуумний тріод
Лосєв
Радянська Росія. 1918 рік. За особистим розпорядженням Леніна в Нижньому Новгороді створюється радіотехнічна лабораторія (рис. 9). Нова влада гостро потребує «бездротового телеграфного» зв'язку. До роботи в лабораторії залучаються кращі радіоінженери на той час - М. А. Бонч-Бруєвич, В. П. Вологдін, В. К. Лебединський, В. В. Татарінов та багато інших.
Рис. 9. Нижегородська радіолабораторія
Приїжджає до Нижнього Новгорода та Олега Лосєва (рис. 10).
Рис. 10. Олег Володимирович Лосєв
Після закінчення Тверського реального училища в 1920 році та невдалого вступу до Московського інституту зв'язку Лосєв згоден на будь-яку роботу, аби тільки прийняли до лабораторії. Його беруть посильним. Гуртожитки посилальним не належить.
17-річний Лосєв готовий жити в приміщенні лабораторії, на сходовому майданчику перед горищем, аби лише займатися улюбленою справою.
З раннього віку він пристрасно захоплювався радіозв'язком. У роки Першої світової війни у Твері була побудована радіоприймальна станція. У її завдання входило приймати повідомлення від союзників Росії по Антанті і далі телеграфом передавати в Петроград. Лосєв часто бував на радіостанції, знав багатьох співробітників, допомагав їм і не мислив своє життя без радіотехніки. У Нижньому Новгороді він не мав ні сім'ї, ні нормального побуту, але було головне - можливість спілкуватися з фахівцями в галузі радіозв'язку, переймати їх досвід і знання. Після виконання необхідних робіт у лабораторії йому дозволяли займатися самостійним експериментуванням.
Тоді інтерес до кристалічних детекторів практично був відсутній. У лабораторії ніхто особливо не займався цією темою. Пріоритет у дослідженнях було віддано радіолампам. Лосєву дуже хотілося працювати самостійно. Перспектива отримати обмежену ділянку роботи «по лампах» її не надихає. Можливо, саме тому він вибирає для своїх досліджень кристалічний детектор. Його мета - удосконалити детектор, зробити його більш чутливим та стабільним у роботі. Приступаючи до експериментів, Лосєв помилково припускав, що «у зв'язку з тим, що деякі контакти між металом і кристалом не підкоряються закону Ома, то цілком імовірно, що коливальний контур, підключений до такого контакту, може виникнути коливання, що не згасають». У той час вже було відомо, що для самозбудження однієї лише нелінійності вольтамперної характеристики недостатньо, повинен обов'язково бути присутня падаюча ділянка. Будь-який грамотний фахівець не став би очікувати на посилення від детектора. Але вчорашній школяр нічого не знає. Він змінює кристали, матеріал голки, акуратно фіксує отримані результати і в один прекрасний день виявляє активні точки, що шукаються у кристалів, які забезпечують генерацію високочастотних сигналів.
«Всі з дитинства знають, що те й те неможливо, але завжди знаходиться невіглас, який цього не знає, він і робить відкриття», - жартував Ейнштейн.
Свої перші дослідження генераторних кристалів Лосєв проводив на простій схемі, представленій на рис. 11.
Рис. 11. Схема перших дослідів Лосєва
Випробувавши велику кількість кристалічних детекторів, Лосєв з'ясував, що найкраще генерують коливання кристали цинкіту, піддані спеціальній обробці. Для отримання якісних матеріалів розробляє технологію приготування цинкіту методом сплавлення в електричній дузі природних кристалів. При парі цинкіту - вугільний вістря, при подачі напруги в10 В виходив радіосигнал з довжиною хвилі 68 м. При зниженні генерації реалізується підсилювальний режим детектора.
Зауважимо, що «генеруючий» детектор був уперше продемонстрований ще 1910 року англійським фізиком Вільямом Ікклзом (рис. 12).
Рис 12. Вільям Генрі Ікклз
Нове фізичне явище не привертає уваги фахівців і про нього на якийсь час забувають. Ікклз теж помилково пояснював механізм «негативного» опору, виходячи з того, що опір напівпровідника падає зі збільшенням температури внаслідок теплових ефектів, що виникають на межі «метал-напівпровідник».
У 1922 році на сторінках наукового журналу «Телеграфія і телефонія без проводів» з'являється перша стаття Лосєва, присвячена посилюючому та генеруючому детектору. У ній він дуже докладно описує результати своїх експериментів, причому особливу увагу приділяє обов'язковому присутності ділянки вольтамперної характеристики контакту, що падає.
У ті роки Лосєв активно займається самоосвітою. Його безпосередній керівник професор В. К. Лебединський допомагає йому у вивченні радіофізики. Лебединський розуміє, що його молодий співробітник зробив справжнє відкриття і теж намагається дати пояснення ефекту, що спостерігається, але марно. Фундаментальна наука на той час ще знає квантової механіки. Лосєв, своєю чергою, висуває гіпотезу, що з великому струмі у зоні контакту виникає якийсь електричний розряд на зразок вольтової дуги, але тільки без розігріву. Цей розряд закорочує високий опір контакту, забезпечуючи генерацію.
Лише через тридцять років зуміли зрозуміти, що було відкрито. Сьогодні ми сказали б, що прилад Лосєва - це двополюсник з N-подібною вольтамперною характеристикою, або тунельний діод, за який у 1973 році японський фізик Лео Ісакі (рис. 13) отримав Нобелівську премію.
Рис. 13. Лео Ісакі
Керівництво нижегородської лабораторії розуміло, що серійно відтворити ефект не вдасться. Трохи попрацювавши, детектори практично втрачали властивості посилення та генерації. Про відмову від ламп не могло бути й мови. Проте практична значимість відкриття Лосєва була величезною.
У 1920-ті роки в усьому світі, в тому числі і в Радянському Союзі, радіоаматорство набуває характеру епідемії. Радянські радіоаматори користуються найпростішими детекторними приймачами, зібраними за схемою Шапошнікова (рис. 14).
Рис. 14. Детекторний приймач Шапошнікова
Для підвищення гучності та дальності прийому застосовуються високі антени. У містах застосовувати такі антени було важко через промислові перешкоди. На відкритій місцевості, де практично немає перешкод, гарний прийом радіосигналів не завжди вдавався через низьку якість детекторів. Введення в антенний контур приймача негативного опору детектора з цинкітом, поставленого в режим, близький до самозбудження, значно посилювало сигнали. Радіоаматорам вдавалося почути найвіддаленіші станції. Помітно підвищувалася вибірковість прийому. І це без використання електричних ламп!
Лампи були не дешеві, причому до них потрібно спеціальне джерело живлення, а детектор Лосєва міг працювати від звичайних батарейок для кишенькового ліхтарика.
У результаті виявилося, що прості приймачі конструкції Шапошникова з генеруючими кристалами надають можливість здійснювати гетеродинний прийом, що був тоді останнім словом радіоприймачів. У наступних статтях Лосєв описує методику швидкого пошуку активних точок на поверхні цинкіту та замінює вугільний вістр металевим. Він дає рекомендації, як слід обробляти кристали та наводить кілька практичних схем для самостійного збирання радіоприймачів (рис. 15).
Рис. 15. Принципова схема крістадіна О. В. Лосєва
Пристрій Лосєва дозволяє як приймати сигнали великих відстанях, а й передавати їх. Радіоаматори в масовому порядку, на основі детекторів-генераторів, виготовляють радіопередавачі, що підтримують зв'язок у радіусі кількох кілометрів. Незабаром видається брошура Лосєва (рис. 16). Вона розходиться мільйонними тиражами. Захоплені радіоаматори писали до різних науково-популярних журналів, що «за допомогою цинкітного детектора в Томську, наприклад, можна почути Москву, Нижній і навіть закордонні станції».
Рис. 16. Брошура Лосєва, видання 1924 року
На всі свої технічні рішення Лосєв отримує патенти, починаючи з «Детекторного приймача-гетеродина», заявленого у грудні 1923 року.
Статті Лосєва друкуються в таких журналах, як ЖЕТФ, Доповіді АН СРСР, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.
Лосєв стає знаменитістю, а йому ще не виповнилося і двадцяти років!
Наприклад, у редакторській передмові до статті Лосєва «Осцилюючі кристали» в американському журналі The Wireless World and Radio Review за жовтень 1924 року йдеться: «Автор цієї статті, пан Олег Лосєв з Росії, за порівняно короткий проміжок часу набув світової популярності у зв'язку з його відкриттям осцилюючих властивостей у деяких кристалів».
Інший американський журнал - Radio News - приблизно в той же час публікує статтю під заголовком «Сенсаційний винахід», в якій зазначається: «Немає необхідності доводити, що це – революційне радіовинахід. Незабаром ми говоритимемо про схему з трьома чи шістьма кристалами, як ми говоримо зараз про схему з трьома чи шістьма підсилювальними лампами. Потрібно кілька років, щоб генеруючий кристал удосконалився настільки, щоб стати кращим за вакуумну лампу, але ми передбачаємо, що такий час настане».
Автор цієї статті Х'юго Гернсбек називає твердотільний приймач Лосєва – кристадином (кристал + гетеродин). Причому як називає, а й передбачливо реєструє назву, як торгову марку (рис. 17). Попит на кристадини величезний.
Рис. 17. Кристалічний детектор Лосєва. Виготовлений у Radio News Laboratories. США, 1924 рік
Цікаво, що коли до нижегородської лабораторії приїжджають німецькі радіотехніки, щоб особисто познайомитися з Лосєвим, вони не вірять своїм очам. Вони вражаються талантом і молодим винахідником. У листах з-за кордону Лосєва називали не інакше як професором. Ніхто й уявити не міг, що професор ще тільки осягає ази науки. Втім, незабаром Лосєв стане блискучим фізиком-експериментатором і ще раз змусить світ заговорити про себе.
У лабораторії з посади розсильного його переводять до лаборантів, надають житло. У Нижньому Новгороді Лосєв одружується (щоправда, невдало, як виявилося згодом), облаштовує свій побут і продовжує займатися кристалами.
У 1928 року, за рішенням уряду, тематика нижегородской радіолабораторії разом із співробітниками передається у Центральну радіолабораторію Ленінграді, яка, своєю чергою, теж постійно реорганізується. На новому місці Лосєв продовжує займатися напівпровідниками, але незабаром Центральну радіолабораторію перетворюють на Інститут радіомовного прийому та акустик. У новому інституті своя програма досліджень, тематика робіт звужується. Лаборанту Лосєву вдається влаштуватися за сумісництвом до Ленінградського фізико-технічного інституту (ЛФТІ), де з'являється можливість продовжити дослідження нових фізичних ефектів у напівпровідниках. Наприкінці 1920-х років у Лосєва з'явилася ідея створити твердотільний аналог триелектродної вакуумної радіолампи.
У 1929-1933 рр.., За пропозицією А. Ф. Іоффе, Лосєв проводить дослідження напівпровідникового пристрою, що повністю повторює конструкцію точкового транзистора. Як відомо, принцип дії цього приладу полягає в управлінні струмом, що тече між двома електродами, за допомогою додаткового електрода. Лосєв справді спостерігав цей ефект, але, на жаль, загальний коефіцієнт такого управління не дозволяв отримати посилення сигналу. Для цієї мети Лосєв використовував тільки кристал карборунду (SiC), а не кристал цинкіту (ZnO), що мав значно кращі характеристики в кристалічному підсилювачі (Що дивно! Йому не знати про властивості цього кристала.) До недавнього часу вважалося, що після вимушеного догляду з ЛФТІ Лосєв не повертався до ідеї напівпровідникових підсилювачів Проте є досить цікавий документ, написаний самим Лосєвим. Він датований 12 липня 1939 року і зараз зберігається в Політехнічному музеї. У цьому документі, під назвою «Життєпис Олега Володимировича Лосєва», крім цікавих фактів його життя міститься і перелік наукових результатів. Особливий інтерес викликають такі рядки: «Встановлено, що з напівпровідниками може бути побудована триелектродна система, аналогічна тріоду, як і тріод, що дає характеристики, що спричиняють негативний опір. Ці роботи нині готуються до друку…».
На жаль, поки не встановлено долю цих робіт, які могли б повністю змінити уявлення про історію відкриття транзистора - найреволюційнішого винаходу XX століття.
Розповідаючи про видатний внесок Олега Володимировича Лосєва у розвиток сучасної електроніки, просто неможливо не згадати про його відкриття світловипромінюючого діода.
Масштаб цього відкриття нам ще тільки доведеться зрозуміти. Мине не так багато часу, і в кожному будинку замість звичної лампи розжарювання горітимуть «електронні генератори світла», як назвав світлодіоди Лосєв.
Ще 1923 року, експериментуючи з кристадинами, Лосєв звернув увагу до світіння кристалів під час пропускання них електричного струму. Особливо яскраво світилися карборундові детектори. У 1920-ті роки на Заході явище електролюмінесценції у свій час навіть називали «світло Лосєва» (Losev light, Lossew Licht). Лосєв зайнявся вивченням та поясненням отриманої електролюмінесценції. Він першим оцінив величезні перспективи таких джерел світла, особливо підкреслюючи їхню високу яскравість і швидкодію. Лосєв став власником першого патенту на винахід світлового релеприладу з електролюмінесцентним джерелом світла.
У 70-х роках ХХ століття, коли світлодіоди стали широко застосовуватися, у журналі Electronic World за 1907 рік було виявлено статтю англійця Генрі Роунда, в якій автор, будучи співробітником лабораторії Марконі, повідомляв, що бачив світіння в контакті карборундового детектора при подачі на нього. зовнішнього електричного поля. Жодних міркувань, що пояснюють фізику цього явища, не наводилося. Ця замітка не вплинула на подальші дослідження в галузі електролюмінесценції, проте автор статті сьогодні офіційно вважається першовідкривачем світлодіода.
Лосєв незалежно відкрив явище електролюмінесценції та провів низку досліджень на прикладі кристала карборунду. Він виділив два фізично різні явища, які спостерігаються при різній полярності напруги на контактах. Його безперечною заслугою є виявлення ефекту передпробійної електролюмінесценції, названої ним «свічення номер один», та інжекційної електролюмінесценції – «свічення номер два». В наші дні ефект передпробійної люмінесценції широко застосовується при створенні електролюмінесцентних дисплеїв, а інжекційна електролюмінесценція є основою світлодіодів та напівпровідникових лазерів. Лосєву вдалося суттєво просунутися у розумінні фізики цих явищ задовго до створення зонної теорії напівпровідників. Згодом, у 1936 році, свічення номер один було заново виявлено французьким фізиком Жоржем Дестріо. У науковій літературі він відомий під назвою «ефект Дестріо», хоча сам Дестріо пріоритет у відкритті цього явища віддавав Олегу Лосєву. Напевно, було б несправедливо заперечувати пріоритет Роунда у відкритті світлодіода. І все ж таки не можна забувати, що винахідниками радіо по праву вважаються Марконі і Попов, хоча всім відомо, що радіохвилі першим спостерігав Герц. І таких прикладів історія науки безліч.
У своїй статті Subhistory of Light Emitting Diode відомий американський вчений у галузі електролюмінесценції Ігон Лобнер пише про Лосєва: «Своїми піонерськими дослідженнями в галузі світлодіодів та фотодетекторів він зробив внесок у майбутній прогрес оптичного зв'язку. Його дослідження були такі точні і його публікації такі зрозумілі, що легко можна уявити зараз, що тоді відбувалося в його лабораторії. Його інтуїтивний вибір та мистецтво експерименту просто дивують».
Сьогодні ми розуміємо, що без квантової теорії будови напівпровідників уявити розвиток твердотільної електроніки неможливо. Тому талант Лосєва вражає уяву. Він із самого початку бачив єдину фізичну природу кристадину та явища інжекційної люмінесценції і в цьому значно випередив свій час.
Після нього дослідження детекторів та електролюмінесценції проводилися окремо один від одного як самостійні напрямки. Аналіз результатів показує, що майже двадцять років після появи робіт Лосєва було зроблено нічого нового з погляду розуміння фізики цього явища. Тільки 1951 року американський фізик Курт Леховець (мал. 18) встановив, що детектування і електролюмінесценція мають єдину природу, що з поведінкою носіїв струму в p-n-переходах.
Рис. 18. Курт Леховець
Слід зазначити, що у своїй роботі Леховець наводить насамперед посилання роботи Лосєва, присвячені електролюмінесценції.
У 1930-31 рр. Лосєв виконав на високому експериментальному рівні серію дослідів з косими шліфами, що розтягують досліджувану область, і системою електродів, що включаються до компенсаційної вимірювальної схеми, для вимірювання потенціалів у різних точках поперечного перерізу шаруватої структури. Переміщаючи металевий «котячий вус» упоперек шліфу, він показав з точністю до мікрона, що приповерхнева частина кристала має складну будову. Він виявив активний шар товщиною приблизно десять мікрон, в якому спостерігалося явище інжекційної люмінесценції. За результатами проведених експериментів Лосєв припустив, що причиною уніполярної провідності є відмінність умов руху електрона по обидва боки активного шару (або, як ми сказали сьогодні, - різні типи провідності). Згодом, експериментуючи з трьома та більше зондами-електродами, розташованими в цих областях, він справді підтвердив своє припущення. Ці дослідження є ще одним значним досягненням Лосєва як вченого-фізика.
У 1935 році, в результаті чергової реорганізації радіомовного інституту та непростих відносин з керівництвом, Лосєв залишається без роботи. Лаборанту Лосєву дозволялося робити відкриття, але з грітися у променях слави. І це при тому, що його ім'я було добре відоме сильним світу цього. У листі, датованому 16 травня 1930 року, академік А. Ф. Іоффе пише своєму колегі Паулю Еренфесту: «У науковому відношенні у мене низка успіхів. Так, Лосєв отримав у карборунді та інших кристалах світіння під дією електронів у 2–6 вольт. Кордон світіння у діапазоні обмежена…».
У ЛФТІ Лосєв довгий час мав своє робоче місце, але в інститут його не беруть, надто незалежна він людина. Усі роботи виконував самостійно – у жодній із них немає співавторів.
За допомогою друзів Лосєв влаштовується помічником на кафедру фізики Першого медичного інституту. На новому місці йому набагато складніше займатись науковою роботою, оскільки немає необхідного обладнання. Проте, поставивши за мету вибрати матеріал для виготовлення фотоелементів і фотоопорів, Лосєв продовжує дослідження фотоелектричних властивостей кристалів. Він вивчає понад 90 речовин та особливо виділяє кремній з його помітною фоточутливістю.
У той час не було достатньо чистих матеріалів, щоб досягти точного відтворення отриманих результатів, але Лосєв (вкотре!) суто інтуїтивно розуміє, що цьому матеріалу належить майбутнє. На початку 1941 року він починає роботу над новою темою - «Метод електролітних фотоопорів, фоточутливість деяких сплавів кремнію». Коли почалася Велика Вітчизняна війна, Лосєв не їде в евакуацію, бажаючи завершити статтю, в якій викладав результати своїх досліджень з кремнію. Очевидно, йому вдалося закінчити роботу, оскільки статтю було надіслано до редакції «ЖЕТФ». На той час редакцію вже було евакуйовано з Ленінграда. На жаль, після війни не вдалося знайти слідів цієї статті, і тепер можна лише здогадуватися про її зміст.
22 січня 1942 року Олег Володимирович Лосєв помер з голоду в блокадному Ленінграді. Йому було 38 років.
У тому ж 1942 році в США компанії Sylvania і Western Electric почали промислове виробництво кремнієвих (а трохи пізніше і германієвих) точкових діодів, які використовувалися як детектори змішувачів в радіолокаторах. Смерть Лосєва збіглася за часом із народженням кремнієвих технологій.
Військовий трамплін
У 1925 році корпорація American Telephone and Telegraph (AT&T) відкриває науковий та дослідно-конструкторський центр Bell Telephone Laboratories. У 1936 році директор Bell Telephone Laboratories Мервін Келлі вирішує сформувати групу вчених, яка б провела серію досліджень, спрямованих на заміну лампових підсилювачів напівпровідниковими. Групу очолив Джозеф Бекер, який залучив до роботи фізика-теоретика Вільяма Шоклі та блискучого експериментатора Уолтера Браттейна.
Закінчивши докторантуру в Массачусетському технологічному інституті, знаменитому МТІ, і вступивши на роботу в Bell Telephone Laboratories, Шоклі, будучи винятково амбітною та честолюбною людиною, енергійно береться за справу. У 1938 році, в робочому зошиті 26-річного Шоклі з'являється перший малюнок напівпровідникового тріода. Ідея проста і не відрізняється оригінальністю: зробити пристрій, максимально схожий на електронну лампу, з тією лише відмінністю, що електрони в ньому протікатимуть тонким ниткоподібним напівпровідником, а не пролітатимуть у вакуумі між катодом і анодом. Для управління струмом напівпровідника передбачалося запровадити додатковий електрод (аналог сітки) - прикладаючи щодо нього напруга різної полярності. Таким чином, можна буде або зменшувати, або збільшувати кількість електронів у нитці і, відповідно, змінювати її опір і струм, що протікає. Все як у радіолампі, тільки без вакууму, без громіздкого скляного балона та без підігріву катода. Витіснення електронів з нитки або їх приплив повинен був відбуватися під впливом електричного поля, створюваного між керуючим електродом та ниткою, тобто завдяки польовому ефекту. Для цього нитка має бути саме напівпровідниковою. У металі занадто багато електронів і ніякими полями їх не витісниш, а діелектрики вільних електронів практично немає. Шоклі розпочинає теоретичні розрахунки, проте всі спроби побудувати твердотільний підсилювач ні до чого не призводять.
У той же час у Європі німецькі фізики Роберт Поль і Рудольф Хілш створили на основі броміду калію контактний триелектродний кристалічний підсилювач, що працює. Проте жодної практичної цінності німецький прилад не являв. Він мав дуже низьку робочу частоту. Є відомості, що в першій половині 1930-х років триелектродні напівпровідникові підсилювачі «зібрали» і два радіоаматори – канадець Ларрі Кайзер і новозеландський школяр Роберт Адамс. Адамс, який надалі став радіоінженером, помічав, що йому ніколи не спадало на думку оформити патент на винахід, оскільки всю інформацію для свого підсилювача він почерпнув з радіоаматорських журналів та інших відкритих джерел.
До 1926-1930 років. відносяться роботи Юліуса Лілієнфельда (рис. 19), професора Лейпцизького університету, який запатентував конструкцію напівпровідникового підсилювача, в наш час відомого під назвою польовий транзистор (рис. 20).
Рис. 19. Юліус Лілієнфельд
Рис. 20. Патент Ю. Лілієнфельда на польовий транзистор
Лілієнфельд припускав, що при подачі напруги на слабкий матеріал буде змінюватися його провідність і у зв'язку з цим виникне посилення електричних коливань. Незважаючи на отримання патенту, створити працюючий прилад Лілієнфельд не зумів. Причина була найпрозаїчніша - у 30-х роках ХХ століття ще не знайшлося необхідного матеріалу, на основі якого можна було б виготовити працюючий транзистор. Саме тому зусилля більшості вчених на той час були спрямовані на винахід більш складного біполярного транзистора. Таким чином, намагалися обійти труднощі, що виникли під час реалізації польового транзистора.
Роботи з твердотільного підсилювача в Bell Telephone Laboratories припиняються з початком Другої світової війни. Вільям Шоклі та багато його колег відряджено в розпорядження міністерства оборони, де працюють до кінця 1945 року.
Твердотільна електроніка не становила інтересу для військових – досягнення їм уявлялися сумнівними. За одним винятком. детектори. Вони якраз і опинилися в центрі історичних подій.
У небі над Ла-Маншем розгорнулася грандіозна битва за Британію, яка досягла апогею у вересні 1940 року. Після окупації Західної Європи Англія залишилася віч-на-віч з армадою німецьких бомбардувальників, які руйнують берегову оборону і готують висадку морського десанту для захоплення країни - операцію «Морський лев». Важко сказати, що врятувало Англію - диво, рішучість прем'єра Уінстона Черчілля чи станції радіолокації. Радари, що з'явилися наприкінці 30-х років, дозволяли швидко і точно виявляти ворожі літаки і своєчасно організовувати протидію. Втративши в небі над Британією понад тисячу літаків, гітлерівська Німеччина сильно охолонула ідеї захоплення Англії 1940-го і приступила до підготовки бліцкригу на Сході.
Англії були потрібні радари, радарам – кристалічні детектори, детекторам – чисті германій та кремній. Першим, і у значних кількостях, на заводах та у лабораторіях з'явився германій. З кремнієм через високу температуру його обробки спочатку виникли деякі труднощі, але незабаром проблему вирішили. Після цього перевагу віддали кремнію. Кремній був дешевий у порівнянні з Німеччиною. Отже, трамплін для стрибка до транзистора був майже готовий.
Друга світова стала першою війною, в якій наука, за своєю значущістю для перемоги над ворогом, виступила на рівних із конкретними збройовими технологіями, а в чомусь і випередила їх. Згадаймо атомний та ракетний проекти. До цього списку можна включити і транзисторний проект, передумови якого значною мірою закладено розвитком військової радіолокації.
Відкриття
У повоєнні роки Bell Telephone Laboratories починають форсувати роботи в галузі глобального зв'язку. Апаратура 1940-х років використовувала для посилення, перетворення та комутації сигналів в абонентських ланцюгах два основні елементи: електронну лампу та електромеханічне реле. Ці елементи були громіздкі, спрацьовували повільно, споживали багато енергії та не відрізнялися високою надійністю. Удосконалити їх означало повернутися до ідеї використання напівпровідників. У Bell Telephone Laboratories знову створюється дослідницька група (рис. 21), науковим керівником якої стає Вільям Шоклі, який повернувся «з війни». У команду входять Уолтер Браттейн, Джон Бардін, Джон Пірсон, Берт Мур та Роберт Гібні.
Рис. 21. Мюррей Хілл, штат Нью-Джерсі, США, Bell Laboratories. Місце народження транзистора.
На самому початку команда приймає найважливіше рішення: спрямувати зусилля вивчення властивостей лише двох матеріалів - кремнію і германію, як найбільш перспективних реалізації поставленої задачи. Звичайно, група почала розробляти передвоєнну ідею Шоклі - підсилювача з ефектом поля. Але електрони всередині напівпровідника вперто ігнорували будь-які зміни потенціалу на електроді, що управляє. Від високої напруги і струмів кристали вибухали, але не бажали змінювати свій опір.
Над цим замислився теоретик Джон Бардін. Шоклі, не отримавши швидкого результату, охолодів до теми і не брав активної участі у роботі. Бардін припустив, що значна частина електронів насправді не «розгулює» вільно по кристалу, а застряє в якихось пастках біля поверхні напівпровідника. Заряд цих «застряглих» електронів екранує поле, що прикладається ззовні, яке не проникає в об'єм кристала. Ось так 1947 року у фізику твердого тіла увійшла теорія поверхневих станів. Тепер, коли, здавалося, причину невдач знайдено, група почала осмислено реалізовувати ідею ефекту поля. Інших ідей просто не було. Стали у різний спосіб обробляти поверхню германію, сподіваючись усунути пастки електронів. Перепробували все – хімічне травлення, механічне полірування, нанесення на поверхню різних пасиваторів. Кристали занурювали у різні рідини, але результату не було. Тоді вирішили максимально локалізувати зону управління, для чого один з струмопроводів і електрод, що управляє, виготовили у вигляді близько розташованих пружних голок. Експериментатор Браттейн, за плечима якого був 15-річний досвід роботи з різними напівпровідниками, міг по 25 годин на добу крутити осцилографові ручки.
Теоретик Бардін завжди був поруч, готовий добу безперервно перевіряти свої теоретичні викладки. Обидва дослідники, як кажуть, знайшли один одного. Вони практично не виходили з лабораторії, але час минав, а скільки-небудь істотних результатів, як і раніше, не було.
Одного разу Браттейн, висмикнутий від невдач, зрушив голки майже впритул, більше того - випадково переплутав полярності потенціалів, що до них додаються. Вчений не повірив своїм очам. Він був вражений, але на екрані осцилографа було очевидно посилення сигналу. Теоретик Бардін відреагував блискавично та безпомилково: ефекту поля ніякого немає, і справа не в ньому. Посилення сигналу виникає з іншої причини. У всіх попередніх оцінках розглядалися лише електрони, як основні носії струму в германієвому кристалі, а «дірки», яких було в мільйони разів менше, ігнорувалися. Бардін зрозумів, що справа саме у «дірках». Введення "дірок" через один електрод (цей процес назвали інжекцією) викликає незмірно більший струм в іншому електроді. І все це на тлі незмінності стану величезної кількості електронів.
Ось так, непередбачуваним чином, 19 грудня 1947 на світ з'явився точковий транзистор (рис. 22).
Спочатку новий пристрій назвали германієвим тріодом. Бардіна і Браттейна назва не сподобалася. Чи не звучало. Вони хотіли, щоб назва закінчувалася б на тор, за аналогією з резистором або термістором. Тут їм на допомогу приходить інженер-електронник Джон Пірс, який чудово володів словом (надалі він стане відомим популяризатором науки та письменником-фантастом під псевдонімом J. J. Coupling). Пірс згадав, що одним із параметрів вакуумного тріода служить крутість характеристики, англійською - transconductance. Він запропонував назвати аналогічний параметр твердотільного підсилювача transresistance, а сам підсилювач, а це слово просто крутилося мовою - транзистором. Назва всім сподобалася.
Через кілька днів після чудового відкриття, напередодні Різдва, 23 грудня 1947 року відбулася презентація транзистора керівництву Bell Telephone Laboratories (рис. 23).
Рис. 23. Точковий транзистор Бардіна-Браттейна
Вільям Шоклі, який проводив відпустку у Європі, терміново повернувся до Америки. Несподіваний успіх Бардіна і Браттейна глибоко зачіпає його самолюбство. Він раніше за інших задумався про напівпровідниковий підсилювач, очолив групу, вибрав напрямок досліджень, але на співавторство в «зірковому» патенті претендувати не міг. На тлі загального тріумфу, блиску і дзвону келихів з шампанським Шоклі виглядав розчарованим і похмурим. І тут відбувається щось, що завжди буде приховано від нас пеленою часу. За один тиждень, який згодом Шоклі назве своїм «пристрасним тижнем», він створює теорію транзистора з p-n-переходами, що замінили екзотичні голочки, і в новорічну ніч винаходить площинний біполярний транзистор. (Зауважимо, що біполярний транзистор, що реально працює, був виготовлений тільки в 1950 році.)
Пропозиція принципової схеми ефективнішого твердотільного підсилювача з листковою структурою зрівняло Шоклі у правах відкриття транзисторного ефекту з Бардіним і Браттейном.
Через півроку, 30 червня 1948 року, у Нью-Йорку, у штаб-квартирі Bell Telephone Laboratories, після залагодження всіх необхідних патентних формальностей, відбулася відкрита презентація транзистора. На той час уже розпочалася холодна війна між США та Радянським Союзом, тому технічні новинки передусім оцінювалися військовими. На превеликий подив усіх присутніх, експерти з Пентагону не зацікавилися транзистором і порекомендували використовувати його в слухових апаратах.
Через кілька років новий пристрій став незамінним компонентом у системі управління бойовими ракетами, але саме того дня короткозорість військових врятувала транзистор від грифу «цілком таємно».
Журналісти відреагували на винахід без особливих емоцій. На сорок шостій сторінці в розділі "Новини радіо" в газеті "Нью-Йорк Таймс" було надруковано коротку замітку про винахід нового радіотехнічного пристрою. І тільки.
У Bell Telephone Laboratories не очікували такого розвитку подій. Військових замовлень із їхнім щедрим фінансуванням не передбачалося навіть у віддаленій перспективі. Терміново приймається рішення про продаж усім охочим ліцензій на транзистор. Сума угоди – $25 тис. Організовується навчальний центр, проводяться семінари для фахівців. Результати не змушують на себе чекати (рис. 24).
Транзистор швидко знаходить застосування в різних пристроях - від військового і комп'ютерного обладнання до споживчої електроніки. Цікаво, що перший портативний радіоприймач тривалий час так і називали – транзистор.
Європейський аналог
Роботи зі створення триелектродного напівпровідникового підсилювача велися і з іншого боку океану, але про них відомо набагато менше.
Нещодавно бельгійський історик Арманд Ван Дормел і професор Стенфордського університету Майкл Ріордан виявили, що наприкінці 1940-х років у Європі був винайдений і навіть запущений у серію «рідний брат транзистора» Бардіна-Браттейна.
Європейських винахідників точкового транзистора звали Герберт Франц Матаре та Генріх Йоганн Велкер (рис. 25). Матаре був фізиком-експериментатором, працював у німецькій фірмі Telefunken і займався мікрохвильовою електронікою та радіолокацією. Велкер більше був теоретиком, довгий час викладав у Мюнхенському університеті, а у воєнні роки працював на Люфтваффі.
Рис. 25. Винахідники транзитрону Герберт Матаре та Генріх Велкер
Зустрілися вони у Парижі. Після розгрому фашистської Німеччини обидві фізики були запрошені до європейської філії американської корпорації Westinghouse.
Ще 1944 року Матаре, займаючись напівпровідниковими випрямлячами для радарів, сконструював прилад, який назвав дуодіодом. Це була пара працюючих паралельно точкових випрямлячів, що використовують одну й ту саму платівку Німеччини. При правильному доборі параметрів пристрій пригнічував шуми у приймальному блоці радара. Тоді Матаре виявив, що коливання напруги одному електроді можуть обернутися зміною сили струму, що проходить через другий електрод. Зауважимо, що опис такого ефекту містився ще в патенті Лілієнфельда, і не виключено, що Матаре знав про це. Але як би там не було, він зацікавився явищем і продовжував дослідження.
Велкер прийшов до ідеї транзистора з іншого боку, займаючись квантовою фізикою та зонною теорією твердого тіла. На початку 1945 року він створює схему твердотільного підсилювача, дуже схожого на пристрій Шоклі. У березні Велкер встигає його зібрати та випробувати, але йому пощастило не більше, ніж американцям. Пристрій не працює.
У Парижі Матарі та Велкер доручають організувати промислове виробництво напівпровідникових випрямлячів для французької телефонної мережі. Наприкінці 1947 року випрямлячі запускаються в серію, і в Матарі з Велкер з'являється час для відновлення досліджень. Вони приступають до подальших експериментів із дуодіодом. Удвох вони виготовляють платівки з більш чистого германію і отримують стабільний ефект посилення. Вже на початку червня 1948 року Матаре і Велкер створюють точковий транзистор, що стабільно працює. Європейський транзистор з'являється на півроку пізніше, ніж пристрій Бардіна та Браттейна, але абсолютно незалежно від нього. Про роботу американців Матарі та Велкер не могли нічого знати. Перша згадка у пресі про «новий радіотехнічний пристрій», що вийшов із Bell Laboratories, з'явилася лише 1 липня.
Подальша доля європейського винаходу склалася сумно. Матаре та Велкер у серпні підготували патентну заявку на винахід, але французьке бюро патентів дуже довго вивчало документи. Лише у березні 1952 року вони одержують патент на винахід транзитрону – таку назву вибрали німецькі фізики своєму напівпровідниковому підсилювачу. На той час паризька філія Westinghouse вже розпочала серійне виробництво транзитронів. Основним замовником виступало Поштове міністерство. У Франції будувалося багато нових телефонних ліній. Тим не менш, століття транзитронів було недовго. Незважаючи на те, що вони працювали краще і довше за свого американського «собрата» (за рахунок більш ретельного складання), завоювати світовий ринок транзитрони не змогли. Згодом французька влада взагалі відмовилася субсидувати дослідження в галузі напівпровідникової електроніки, переключившись на масштабніші ядерні проекти. Лабораторія Матаре і Велкера занепадає. Вчені вирішують повернутися на батьківщину. На той час у Німеччині починається відродження науки та високотехнологічної промисловості. Велкер влаштовується на роботу в лабораторію концерну Siemens, яку згодом очолить, а Матаре переїжджає до Дюсельдорфа і стає президентом невеликої компанії Intermetall, яка випускає напівпровідникові прилади.
Післямова
Якщо простежити долі американців, то Джон Бардін пішов з Bell Telephone Labora-tories в 1951 році, зайнявся теорією надпровідності і в 1972 разом із двома своїми учнями був удостоєний Нобелівської премії «За розробку теорії надпровідності», ставши, таким чином, єдиним в історії вченим, двічі нобелівським лауреатом.
Уолтер Браттейн пропрацював у Bell Telephone Laboratories до виходу на пенсію у 1967 році, а потім повернувся до свого рідного міста та зайнявся викладанням фізики у місцевому університеті.
Доля Вільяма Шоклі склалася в такий спосіб. Він залишає Bell Telephone Laboratories у 1955 році і, за фінансової допомоги Арнольда Бекмана, засновує фірму з виробництва транзисторів – Shockly Transistor Corporation. На роботу в нову компанію переходять багато талановитих вчених та інженерів, але через два роки більшість з них йдуть від Шоклі. Зарозумілість, зарозумілість, небажання прислухатися до думки колег і нав'язлива ідея не повторити помилку, яку він припустився у роботі з Бардіним і Браттейном, роблять свою справу. Компанія розвалюється.
Його колишні співробітники Гордон Мур і Роберт Нойс за підтримки того ж таки Бекмана заснують фірму Fairchild Semiconductor, а потім, у 1968 році створюють власну компанію - Intel.
Мрія Шоклі побудувати напівпровідникову бізнес-імперію була втілена в життя іншими (рис. 26), а йому знову дісталася роль стороннього спостерігача. Іронія долі у тому, що ще 1952 року саме Шоклі запропонував конструкцію польового транзистора з урахуванням кремнію. Проте компанія Shockly Transistor Corporation не випустила жодного польового транзистора. Сьогодні цей пристрій є основою усієї комп'ютерної індустрії.
Рис. 26. Еволюція транзистора
Після невдачі у бізнесі Шоклі стає викладачем у Стендфордському університеті. Він читає блискучі лекції з фізики, особисто займається з аспірантами, але йому не вистачає колишньої слави – всього того, що американці називають ємним словом publicity. Шоклі включається до суспільного життя і починає виступати з доповідями з багатьох соціальних та демографічних питань. Пропонуючи вирішення гострих проблем, пов'язаних з перенаселенням азіатських країн та національними відмінностями, він скочується до євгеніки та расової нетерпимості. Преса, телебачення, наукові журнали звинувачують його в екстремізмі та расизмі. Шоклі знову «знаменить» і, схоже, відчуває задоволення від того, що відбувається. Його репутації та кар'єрі вченого приходить кінець. Він виходить на пенсію, перестає з усіма спілкуватися, навіть із власними дітьми, і доживає життя самітником.
Різні люди, різні долі, але всіх їх поєднує причетність до відкриття, яке докорінно змінило наш світ.
Дату 19 грудня 1947 можна по праву вважати днем народження нової епохи. Почався відлік нового часу. Світ зробив крок в епоху цифрових технологій.
Література
- William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. History of Invention of Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. December 1997.
- Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.
- Новіков М. А. Олег Володимирович Лосєв - піонер напівпровідникової електроніки // Фізика твердого тіла. 2004. Том 46, вип. 1.
- Остроумов Б., Шляхтер І. Винахідник крістадіна О. В. Лосєв. // Радіо. 1952. №5.
- Жирнов В., Суетін Н. Винахід інженера Лосєва // Експерт. 2004. № 15.
- Lee T. H., A Nonlinear History of Radio. Cambridge University Press. 1998.
- Носов Ю. Парадокси транзистора // Квант. 2006. № 1.
- Andrew Emmerson. Who really invented Transistor? www.radiobygones.com
- Michael Riordan. How Europe Missed the Transistor // IEEE Spectrum, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org